Электронный учебно-методический комплекс по учебной дисциплине Основы электроники для специальности 1-53 01 04 Автоматизация и управление теплоэнергетическими процессами
.pdf
Рисунок 1.24 – Построение нагрузочной прямой на семействе выходных характеристик транзистора о определение рабочей точки
Отрезок АВ – рабочий участок нагрузочной прямой. Рабочую точку (РТ) выбирают посередине рабочего участка нагрузочной прямой АВ, но на пересечении с характеристикой транзистора.
Точка А соответствует точке отсечки, а точка В соответствует точке насыщения транзистора. Ключевым режимом называется такой режим, при котором рабочая точка скачком переходит из режима насыщения в режим отсечки (из точки В в точку А) и, наоборот, (из точки А в точку В), минуя линейный режим (рисунок 1.25). В этом случае, транзистор будет работать как ключ, т.е. иметь два состояния: открытое и закрытое. Ключевой режим позволяет получить на выходе транзистора импульсный сигнал.
Рисунок 1.25 – Ключевой режим работы БТ
h - параметры биполярного транзистора
При работе транзистора в усилительных схемах важную роль играют переменные сигналы с малыми амплитудами. Свойства транзистора в этом случае определяются так называемыми малосигнальными параметрами, или h- параметрами.
Кроме h-параметров используются также у-параметры и z-параметры. Все y-параметры имеют размерность проводимости, а все z -параметры – размерность сопротивлений. Однако их измерение сопряжено со значительными практическими трудностями, в то время как h-параметры измеряются сравнительно легко.
Если рассмотреть транзистор как четырехполюсник (рисунок 1.26), то связь между входными (U1, I1) и выходными (U2, I2) напряжениями и токами четырехполюсника выражается двумя уравнениями.
31
Рисунок 1.26 - Транзистор как четырехполюсник
ΔU1= h11 ΔI1 +h12 ΔU2 ΔI2 = h21 ΔI1+h22 ΔU2
Параметры, входящие в эти уравнения, определяются с использованием двух режимов:
1)режим короткого замыкания для переменного тока на выходе, т. е. при отсутствии нагрузки в выходной цепи. При этом U2 = const.
2)режим холостого хода, т. е. при разомкнутой для переменного тока
цепи, когда во входной цепи имеется только постоянный ток, I1 = const.
Эти режимы, или эти условия, легко осуществить на практике при измерении h – параметров.
В систему h – параметров входят следующие величины:
1)h11 = ΔU1/ ΔI1 (при U2 = const) – входное сопротивление транзистора при отсутствии переменного напряжения. При таком условии изменение входного тока ΔI1 является результатом изменения входного напряжения ΔU1.
2)h12 = ΔU1/ ΔU2 (при I1 = const) – коэффициент обратной связи по напряжению, показывает, какая доля выходного напряжения передается на вход транзистора вследствие наличия в нем внутренней обратной связи.
3)h21 = ΔI2 / ΔI1 (при U2 = const) – коэффициент передачи (усиления) по току, показывает, что изменение выходного тока ΔI2 зависит только от изменения входного тока ΔI2.
4)h22 = ΔI2 / ΔU2 (при I1 = const) – выходная проводимость для переменного тока на выходе транзистора.
Значения h-параметров зависят от схемы включения БТ в электрическую цепь и могут быть измерены как непосредственно, так и определены по входной и выходной характеристикам транзистора.
Биполярный транзистор можно представить схемой замещения в h- параметрах (рисунок 1.27).
Рисунок 1.27 – Схема замещения биполярного транзистора в h-параметрах
32
Тема 1.4. Полевые транзисторы
Полевым транзистором (ПТ) называется транзистор, в котором между двумя электродами образуется проводящий канал, по которому протекает ток. Ток канала управляется электрическим полем, создаваемым третьим электродом, который называется затвором (З). Электрод, от которого начинают движение носители заряда, называется истоком (И), а электрод, к которому они движутся – стоком (С). Полевые транзисторы называют также униполярными, так как принцип действия их основан на использовании носителей заряда только одного знака.
Классификация и условное обозначение полевых транзисторов
Полевые транзисторы по типу электропроводности подразделяются на n-канальные и р-канальные; каждый тип транзистора в свою очередь бывает с управляющим p-n-переходом и с изолированным затвором (МДП-транзисторы и МОП-транзисторы) (рисунок 1.28). МДП (МОП)-транзисторы делятся на транзисторы со встроенным каналом (обедненного типа) и с индуцированным каналом (обогащенного типа).
Рисунок 1.28 - Классификация и условное обозначение полевых транзисторов
Полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом
Рассмотрим транзистор с управляющим p-n-переходом, n-канальный. Конструктивно такой транзистор представляет собой пластинку полупроводника n-типа с двумя p-n-переходами и тремя выводами (рисунок
1.29).
Конструкция
Оба p-слоя электрически связаны между собой и имеют общий электрод, называемый затвором (З). Между p-n-переходами располагается канал, в данном случае n-типа. Управляющее (или входное) напряжение подается между затвором З и истоком И. Напряжение Uзи является обратным для обоих p-n-
33
переходов. В выходную цепь, в которую входит канал транзистора, подключается напряжение Ucи положительным полюсом к стоку.
Рисунок 1.29 - Конструкция транзистора с управляющим p-n-переходом (n- канального)
Принцип работы
Если к электродам подключить напряжение питания, то между истоком и стоком будет протекать ток, величина которого зависит от напряжения на затворе. То есть принцип работы сводится к тому, что при изменении напряжения Uзи изменяется ширина p-n-переходов, которые представляют собой участки полупроводника, обедненные носителями заряда. Так как p-слой имеет большую концентрацию примесей, чем n-слой, то изменение ширины переходов происходит в основном за счет более высокоомного n-слоя, тем самым изменяется сечение токопроводящего канала и его проводимость, следовательно, и выходной ток Ic. Максимальный ток стока Ic будет при нулевом напряжении на затворе.
На проводимость канала полевого транзистора оказывает влияние как управляющее напряжение Uзи, так и напряжение Ucи.
Напряжение на затворе, при котором ток стока минимален, называется напряжением отсечки Uзи отс.
Характеристики полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом:
стоковые (или выходные) (рисунок 1.30, а):
Ic = f(Ucи) / Uзи = const.
стоко-затворные (или переходные) (рисунок 1.30, б):
Ic = f(Uзи) / Ucи = const.
Характеристики представлены для n-канального транзистора. Для р- канального транзистора полярность приложенных напряжений будет обратной и, соответственно, характеристики будут лежать в других координатных плоскостях.
34
а б
Рисунок 1.30 - Характеристики полевых транзисторов с управляющим p-n- переходом: а –стоковая; б – стоко-затворная
Явление насыщения объясняется тем, что при повышении напряжения Ucи ток Ic должен увеличиваться, но так как одновременно повышается обратное напряжение на p-n-переходе, то запирающий слой расширяется, а канал сужается, т.е. его сопротивление возрастает, и ток Ic должен уменьшаться. То есть имеют место два взаимно противоположных воздействия на ток, который в результате остается почти постоянным. При увеличении отрицательного напряжения Uзи (для рассматриваемого n-канального транзистора) ток стока Ic уменьшается.
Свойства ПТ характеризуются дифференциальными параметрами.
Параметры полевых транзисторов:
|
крутизна S |
Iс |
|Ucи const ; |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
Uзи |
|
|
|
|
|
внутреннее (выходное) сопротивление R Ucи |U |
|
const ; |
|||
|
|
|
i |
Ic |
з-и |
|
|
|
|
|
|
||
|
статический коэффициент усиления |
Ucи | Ic |
const . |
|||
|
|
|
|
Uзи |
|
|
Коэффициент усиления выражается отношением таких изменений напряжений, которые компенсируют друг друга по действию на ток Ic. Для такой компенсации напряжения должны иметь разные знаки, отсюда знак минус. Этот коэффициент может быть определен как S Ri ;
входные сопротивления R |
|
Uзи |U |
|
const; |
вх |
|
Iз |
cu |
|
|
|
|
межэлектродные барьерные емкости:
– Сзи – входная емкость;
35
–Сзс – проходная емкость между З и С;
–Сcu – выходная емкость.
Полевые транзисторы с изолированным затвором (МДП и МОП)
В отличие от полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом, в которых затвор имеет непосредственный электрический контакт с областью токопроводящего канала, в МДП–транзисторах затвор изолирован от канала слоем диэлектрика. Название МДП–транзистор пошло от его структуры: металл
– диэлектрик – полупроводник или металл – окисел – полупроводник.
МДП–транзисторы со встроенным каналом
Конструкция
МДП – транзисторы со встроенным каналом n-типа создается в полупроводнике с электропроводностью р-типа (рис. 1.31), в котором имеются две области с повышенной проводимостью n+ - типа. Эти области являются стоком и истоком. Между ними имеется тонкий приповерхностный канал с электропроводностью n-типа.
Рисунок 1.31 - Конструкция МДП-транзистора со встроенным каналом n-типа
Толщина диэлектрического слоя составляет примерно 3…5 нм. Сверху диэлектрического слоя расположен затвор в виде тонкой металлической пленки. В МДП–транзисторе обычно делают четвертый электрод, которым является подложка (т.е. пластина p-типа).
Принцип работы
Если при напряжении Uзи = 0 приложить напряжение между стоком и истоком Ucu, то через канал потечет ток, представляющий собой поток электронов.
При подаче напряжения Uзи < 0 в канале создается поперечное электрическое поле, под влиянием которого электроны проводимости выталкиваются из канала в кристалл. Канал обедняется электронами, сопротивление его увеличивается, ток Ic уменьшается. Чем больше напряжение Uзи, тем меньше ток стока Ic. Такой режим транзистора называют режимом обеднения.
36
Если напряжение Uзи > 0, то под действием поля, созданного этим напряжением, из кристалла в канал будут приходить электроны, проводимость канала увеличится и ток стока Ic возрастет. Этот режим называют режимом обогащения.
Все эти физические процессы наглядно выражаются выходной (стоковой) характеристикой (рисю 1.32, а).
а |
б |
Рисунок 1.32 - Выходная (а) и стоко-затворная характеристики (б) МДП-транзистора со встроенным каналом n-типа
По выходной характеристике можно построить стоко-затворную (переходную) характеристику (рис. 1.32, б).
МДП-транзистор с индуцированным (инверсным) каналом
Конструкция такого транзистора отличается от конструкции транзистора с встроенным каналом тем, что канал проводимости здесь специально не создается, а возникает (индуцируется) только при подаче на затвор напряжения определенной полярности (рис. 1.33). При отсутствии этого напряжения канала нет, между истоком и стоком n+-типа есть только кристалл p-типа, и на одном из p-n+-переходов получается обратное напряжение.
Рисунок 1.33 - Конструкция МДП-транзистора с индуцированным каналом n-типа
Принцип работы
Сопротивление между истоком и стоком велико, транзистор заперт. Но если подать на затвор в данном случае положительное напряжение, то под влиянием поля затвора электроны проводимости будут перемещаться из областей стока, истока и кристалла к затвору. Когда напряжение Uзи превысит некоторое отпирающее или пороговое напряжение Uпор, то в приповерхностном слое концентрация электронов настолько увеличится, что превысит
37
концентрацию дырок, произойдет инверсия типа электропроводности, т.е. образуется канал n -типа и транзистор начнет проводить ток.
Чем больше положительное напряжение Uзи, тем больше проводимость канала и ток стока. То есть такой транзистор может работать только в режиме обогащения, что показывают его выходные характеристики и переходная характеристика (рис. 1.34).
Рисунок 1.34Выходная (а) и стокоатворная (б) характеристики МДП-транзистра с индуцированным каналом n-типа
Схемы включения ПТ и их особенности
Полевые транзисторы по аналогии с биполярными имеют три схемы включения: с общим истоком (ОИ), с общим стоком (ОС) и с общим затвором
(ОЗ).
Схема с общим истоком (рис. 1.35) аналогична схеме с ОЭ. Она дает большое усиление по току и по мощности и, так же как схема с ОЭ, переворачивает фазу напряжения при усилении.
Рисунок 1.35Схема с ОИ
Схема с общим затвором (рис. 1.36) аналогична схеме с общей базой
(ОБ).
Рисунок 1.36Схема с ОЗ
Она не дает усиления по току, поэтому усиление по мощности в ней во много раз меньше, чем в схеме с ОИ. Входное сопротивление Rвх мало, так как входным током является ток стока (в реальных схемах используется редко).
Схема с общим стоком (рис. 1.37) подобна схеме с ОК (эмиттерному повторителю) и может быть названа истоковым повторителем с Кu ≈ 1.
38
Рисунок 1.37Схема с ОС
Выходное напряжение по величине и фазе повторяет входное. Для такой схемы характерны небольшое выходное сопротивление и повышенное входное сопротивление.
Полевые транзисторы широко используются в усилителях, генераторах и другой радиоэлектронной аппаратуре. Они являются основой для разработки современных средств вычислительной техники, включая микропроцессоры, микроконтроллеры, полупроводниковую память.
Маркировка транзисторов:
1 – буква или цифра: Г(1), К(2), А(3) – материал: германий, кремний, арсенид галлия;
2– буква: П – полевой, Т – биполярный;
3– цифра, указывающая диапазон основных параметров (мощность и частотные свойства, указаны в таблице 4.1.);
4и 5 – двузначное число, указывающее порядковый номер разработки;
6– буква, обозначающая параметрическую группу прибора.
Таблица 4.1
К определению третьего символа в маркировке транзистора
Р \ f |
НЧ 3 |
Ср 3…30 МГц |
ВЧ и СВЧ > 30 |
|
МГц |
|
МГц |
ММ 0,3 |
1 |
2 |
3 |
Вт |
|
|
|
СрМ |
4 |
5 |
6 |
0,3…3 Вт |
|
|
|
М > 3Вт |
7 |
8 |
9 |
Например, КТ315А – транзистор биполярный высокочастотный, малой мощности, широкого применения, номер разработки 15, группа А; КП302А – транзистор полевой высокочастотный, малой мощности, широкого применения, номер разработки 02, группа А.
Преимущества полевых транзисторов перед биполярными:
1.Высокое входное сопротивление в схеме с ОИ;
2.Малый уровень собственных шумов, так как перенос тока осуществляют только основные носители заряда;
3.Высокая устойчивость против температурных и радиоактивных воздействий;
4.Высокая плотность расположения элементов при изготовлении интегральных схем.
39
Силовые биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT)
Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT - Insulated Gate Bipolar Transistors) - полностью управляемый полупроводниковый прибор, основой которого является трёхслойная структура. Его включение и выключение осуществляются подачей и снятием положительного напряжения между затвором и истоком. На рисунке 1.38 приведено условное обозначение биполярного транзистора с изолированным затвором (IGBT) [12].
Данные приборы IGBT являются продуктом развития технологии силовых транзисторов со структурой металл-оксид-полупроводник, управляемых электрическим полем (MOSFET-Metal-Oxid-Semiconductor-Field-Effect-Transistor) и
сочетают в себе два транзистора в одной полупроводниковой структуре: биполярный (образующий силовой канал) и полевой (образующий канал управления). Эквивалентная схема включения двух транзисторов приведена на рисунке 1.39. Прибор введён в силовую цепь выводами биполярного транзистора E (эмиттер) и C (коллектор), а в цепь управления - выводом G (затвор).
Рисунок 1.38 - Условное |
Рисунок 1.39 - Схема соединения транзисторов в |
обозначение IGBT |
единой структуре IGBT |
Таким образом, IGBT имеет три внешних вывода: эмиттер, коллектор, затвор. Сочетание двух приборов в одной структуре позволило объединить достоинства полевых и биполярных транзисторов: высокое входное сопротивление с высокой токовой нагрузкой и малым сопротивлением во включённом состоянии.
Современные IGBT-модули находят широкое применение при создании неуправляемых и управляемых выпрямителей, автономных инверторов для питания электродвигателей постоянного и переменного тока средней мощности, преобразователей индукционного нагрева, сварочных аппаратов, источников бесперебойного питания и бытовой техники.
Однопереходный транзистор
В однопереходном транзисторе (рис. 1.40, а) ЭП смещен в обратном направлении. Когда напряжение Uэб1 станет больше внутреннего напряжения Uвн, то результирующее напряжение на переходе станет прямым, дырки будут двигаться по направлению к выводу Б1, образуя эмиттерный ток. Переход откроется, что приведет к дальнейшему нарастанию тока эмиттера (получается лавинообразный процесс нарастания тока эмиттера). При этом сопротивление эмиттерного перехода снижается, а напряжение Uэ уменьшается. Это соответствует отрицательному дифференциальному сопротивлению, как у туннельного диода. Поэтому такой транзистор используется для построения переключающих схем.
40